Strong d−π Orbital Coupling of Co–C4 Atomic Sites on Graphdiyne Boosts Potassium–Sulfur Battery Electrocatalysis

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作者
Shipeng Zhang,Ya Kong,Yu Gu,Ruilin Bai,Menggang Li,Shuoqing Zhao,Mingze Ma,Zhen Li,Lingyou Zeng,Daping Qiu,Qinghua Zhang,Mingchuan Luo,Lin Gu,Yan Yu,Shaojun Guo,Jin Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (7): 4433-4443 被引量:56
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09533
摘要

Potassium-sulfur (K-S) batteries are severely limited by the sluggish kinetics of the solid-phase conversion of K2S3/K2S2 to K2S, the rate-determining and performance-governing step, which urgently requires a cathode with facilitated sulfur accommodation and improved catalytic efficiency. To this end, we leverage the orbital-coupling approach and herein report a strong d-π coupling catalytic configuration of single-atom Co anchored between two alkynyls of graphdiyne (Co-GDY). The d-π orbital coupling of the Co-C4 moiety fully redistributes electrons two-dimensionally across the GDY, and as a result, drastically accelerates the solid-phase K2S3/K2S2 to K2S conversion and enhances the adsorption of sulfur species. Applied as the cathode, the S/Co-GDY delivered a record-high rate performance of 496.0 mAh g-1 at 5 A g-1 in K-S batteries. In situ and ex situ characterizations coupling density functional theory (DFT) calculations rationalize how the strong d-π orbital coupling of Co-C4 configuration promotes the reversible solid-state transformation kinetics of potassium polysulfide for high-performance K-S batteries.
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